夏热冬冷地区某商业综合体公共区域的暖通设计探析

潘智捷

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司 福建厦门 361000)

0 引言

夏热冬冷地区人口与国民生产总值分别占全国的45%和48%。该区域夏季炎热、冬季湿冷，建筑供暖与空调需求并存，是我国实行建筑节能减排的重要区域之一[1-2]。商业综合体是由人类不同层次、需求所衍生出来的城市生活设施，集购物、餐饮、住宿、办公休闲等于一体的空间[3]。由于商业综合体具有人口密度大、业态多样化、运营时间不统一、舒适性要求高、商户需求不稳定的特点，因此，对暖通空调设计有着更高的要求。

张建军对富力办公商业综合体项目的暖通空调设计进行了阐述[4]；李雪薇等人对合肥某商业综合体暖通空调系统进行详细说明并介绍了一些节能措施[5]。这些均为典型的优秀工程实例，但并没有说明为何如此设计。张京奉针对公共建筑高大中庭供暖顶部过热、底部过冷提出在屋顶加装新风机，通过温度较低的室外新风与中庭顶部高温气体混合,虽然缓解了商场顶部过热的现象[6]，但也造成了能源浪费。

本文结合具体案例及过往经验，分析了某夏热冬冷地区商业综合体MALL在冷热源系统、输配系统、末端系统等方面的设计要点，探讨了同类建筑中夏季顶部公共区域过热、冬季底部公共区域过冷等常见问题的解决方案。希望对夏热冬冷地区商业综合体MALL的暖通空调设计提供有效参考。

1 某夏热冬冷地区某商业综合体简介

该商业综合体位于湖北省，属夏热冬冷地区。地下一层，功能为汽车库、设备用房等，地上四层，首层由室外步行街、室内步行街、主力店等组成，二层为超市、室内步行街等，三层为餐饮、影院等，四层局部设置室外步行街，属建筑高度小于24 m的多层公共建筑。除超市、影院、室外步行街外的区域(以下简称“商业MALL”)，空调面积约21 000 m2。

2 夏热冬冷地区商业MALL设计方案

2.1 冷热源形式

商业MALL采用HDY-SMAD V4.0计算及分析空调负荷，图1、图2分别给出了商业MALL全年负荷柱状图及冷负荷分布图。

根据图1负荷柱状图显示，夏季冷负荷约4011 kW，冬季热负荷约2000 kW。因当地无市政热力管网，且业主在立项之初已明确不采用锅炉系统，故本项目热源选用两台单机制热量为977 kW(制冷量为1004 kW)的风冷螺杆式冷热水机组。

根据图2冷负荷分布图可知，夏季空调约有76%的运行时段集中在0～2000 kW的负荷区间，约24%的运行时段在2000～4000 kW的负荷区间。除了上述两台风冷螺杆式冷热水机组，该项目还选用了两台单机制冷量为983.4 kW的螺杆式水冷冷水机组。由于水冷螺杆式冷水机组运行效率高于风冷螺杆式冷水机组,如图3所示，故当系统冷量需求小于2000 kW时，优先运行水冷螺杆式冷水机组。当系统冷量需求大于2000 kW时，再开启风冷螺杆式冷热水机组作为补充，以降低运行费用。夏季，当1台冷水机组检修或者故障时，另外3台主机可满足约95%时刻内的负荷需求，保证空调系统运行的稳定性。

图1 负荷柱状图

图2 冷负荷分布图

图3 风冷螺杆与水冷螺杆部分负荷能效比对

2.2 输配系统

该项目采用两管制系统，夏季供冷、冬季供暖，并分别设置冷水和热水循环泵。空调制热时选用3台热水泵(两用一备)与风冷螺杆式冷热水机组，各自并联后，通过母管连接，每台风冷热泵水管路上均设电动蝶阀，保证主机与水泵一对一的连接方式。

冷冻水泵正常应选用6台水泵，3台(两用一备)供风冷式冷热水机组使用，3台(两用一备)供螺杆式冷水机组使用。经水力计算显示，空调制冷时风冷式冷热水机组环路(从集水器出发，经风冷式冷热水机组，最后回到分水器)与螺杆式冷水机组环路(从集水器出发，经螺杆式冷水机组，最后回到分水器)的设计流量、压力损失基本一致。因此，该项目采用5台冷冻水泵(四用一备)，风冷式冷热水机组环路与螺杆式冷水机组共用备用水泵。在保证系统合理、可靠前提下，节约了1台水泵及相应管路的初投资。空调冷热水系统图如图4所示。

2.3 末端系统

由于内街商铺面积较小，且往往随着业主招商进行重新分割，内街商铺采用风机盘管加新风机组的末端形式。主力店等人流多、大开间的区域采用单风机全空气空调系统，过渡季节可引入全新风制冷。

3 问题分析及解决

3.1 夏季顶部公共区域过热

由于采光和视觉效果的需求，商业MALL往往设计了较多跨楼层的中庭高大空间。贯通上下的中庭成为空气的垂直通道。在热压的作用下，室内的热风上浮并积聚在中庭顶部，出现明显的温度梯度分层。同时，中庭顶部存在大量玻璃天窗，为满足节能要求，天窗采用Low-E玻璃，太阳的短波热辐射可以透过Low-E玻璃照射到室内建筑表面，而室内建筑表面的长波二次辐射则无法穿过玻璃反射出去。因此大量热量滞留在顶部，造成商业MALL顶部公共区域的高温[7]。滞留在顶部的这部分热量如果没有及时排出，会与室内的冷量进行热量交换，造成严重的能源浪费。因此，要降低顶层公共区域的温度，首先要先将这部分热量排出去。

商业步行街人流量大，需要设计较大风量的新风系统。合理设置排风系统，才能使建筑维持微正压，使新风良好流通并顺利送入商场内。由于店铺排风与公共区域空气顶部存在温度差，可以引导这些低温排风进入公共区域和公共区域滞留的热量，以降低公共区域的温度。采用该方案时，应进行严格的风量平衡计算，将总新风量扣除卫生间排风量及厨房负压风量后，剩余的风量再通过设置于中庭外的风机集中排出。经计算，本项目在中庭设置3台排风量为11 850 m3/h的中庭排风机，引导26℃的低温排风进入中庭与中庭的高温空气混合后排出。此过程，空气的含湿量保持不变，空气混合前后为等湿升温过程。

Q=cGΔt

(1)

式中：G——通风换气量,kg/s；

c——空气比热，kJ/(kg·℃)，一般取1.01；

Δt为排风温差，℃，本例为6℃。

根据以往项目实测，夏季中庭排风温度高达32℃，因此通过合理的气流组织设计，本项目的中庭排风机可带走约65kW的负荷。该综合体中庭投影面积约为630m2，每平方米可减少103W的负荷。另外，中庭天棚冷负荷(含辐射冷负荷)巨大，实际工程设计中应仔细计算该负荷，并将70%的天棚负荷分配至顶部公共区域，通过加大顶部公共区域制冷量进一步降低顶部区域温度[8]。

3.2 冬季底部公共区域过冷

由于餐饮店铺往往维持微负压，厨房有组织的排风，使得公共区域的气流往餐饮店铺流动。而餐饮店铺往往设置在商场顶部，在冬季，公共区域的热空气被引导进入商场顶部，前述的温度梯度更为严重。伴随着热空气上浮，大量冷风通过频繁进出的出入口渗透、流入商场内，造成冬季底部区域温度过低，增加了冬季空调运行能耗。

如图5所示，该项目在中庭与周围场所之间的吊顶内设置空气幕，自上而下的气流形成了有效阻绝各层热空气进入各层的柔性风幕，既阻挡了非餐饮楼层环廊及商铺热空气进入中庭区域，又避免了中庭热空气进入餐饮楼层，减少由于中庭负压，底部公共区域的冷风渗透。该方案可以保证人们的视觉不被遮挡，公共区域整洁、美观。

图5 中庭气流组织图

3.3 过渡季节仍需开启制冷机组制冷

以往项目设计中，为了不占用商业面积，室内街公共区域常采用吊式空调机或风机盘管的末端形式。这需要较多的末端设备及设置更多的检修口和风口，不但影响装修效果，而且后期维护工作量大，且在过渡季节无法利用全新风免费供冷。

综合体内不同的楼层、不同位置的商铺，其商业价值也不同。为实现商业价值的最大化，争取更多租金收益，本项目室内街公共区域采用全空气空调系统，将空调机房置于屋面以减少机房对商业的影响。新、回风统一经过全空气空调箱进行处理后，再通过垂直风管将空调送、回风引至各楼层，如图6所示。虽然全空气系统增加了空调机房及管井，但是空气品质较好、维护简单、振动、噪音等易于控制，空调区的舒适性获得较好的保障。同时新风管尺寸加大，使得公共区域过渡季节可利用室外新风作为免费冷源，在保证建筑内部舒适性的同时，更好地减少运行能耗。

图6 公共区域空调系统图

3.4 厨房未补风导致中庭渗透风严重

餐饮厨房补风量为设计排油烟量的80%～90%[9]，这部分风量被用来补充厨房的排油烟，以减少餐饮厨房从公共区域补风。然而，在过往项目的回访中发现，出于减少运行费用的目的，大量餐饮商户在使用排油烟机时并未开启补风机。当缺乏有效厨房补风系统时，排油烟系统的补风来自公共区域，公共区域呈现负压状态，进而导致大量未经处理的室外风渗透进入公共区域，进一步加剧了夏季顶部公共区域过热、冬季底部公共区域过冷的现象。因此，餐饮的补风系统应与排油烟系统联动，强制补风机随排油烟风机开启。

4 结语

通过对某夏热冬冷地区商业MALL的暖通空调设计分析可见：

(1)应从空调区的冬季热负荷和夏季逐时冷负荷计算出发，有针对性地对不同产权、不同业态、不同运行时间的区域进行冷热源方案设计；在保证系统可靠性的前提下，使整个系统合理、经济。

(2)良好的气流组织既能减少空调能耗，同时又能提高环境的舒适性。应对商业综合体MALL进行整体风量平衡计算，根据计算结果，合理选择送排风风机及送排风点，引导店铺的低温排风进入中庭公共区域，同时加大顶层制冷量，以缓解夏季商业MALL顶部过热现象。

(3)对于中庭高大区域冬季底部过冷现象，可通过在中庭与周围场所之间的吊顶内设置空气幕，来阻挡中庭区域的热空气进入顶层店铺。通过减少底部区域的冷风渗透，在保证热舒适性的前提下节约能源。

(4)中庭公共区域采用全空气空调系统既能提升公共区域的空气品质，过渡季节时还能利用全新风制冷，节能潜力巨大。

(5)在实际运营中，应采取措施，保证厨房补风与排油烟系统同时开启，以减少由于补风系统未开启带来的冷风渗透。